采用热喷涂技术制备的各种功能涂层,已在载运工具零部件的表面强化上得到广泛应用,例如,航空发动机和燃气轮机叶片用抗高温氧化、耐冲蚀涂层,以及汽车发动机气缸和排气阀等部件的耐磨涂层等。热喷涂技术当中,等离子喷涂技术的应用最广泛。等离子喷涂过程中,等离子射流特性、粉末材料颗粒的状态以及粉末材料与射流的相互作用等,直接影响形成涂层的组织结构和性能,因此,对等离子喷涂条件下的射流特性进行有效诊断和系统研究,对揭示涂层形成机理、提高喷涂质量和扩大等离子喷涂技术在载运工具领域的应用,都具有十分重要的意义。目前在这方面,国内外已有一些相关研究,但是仍然存在一些未解决的问题,尤其对低压/超低压等离子喷涂中、不同真空室压力下等离子射流特性诊断方面的研究,尚未见到相关报道。分别采用发射光谱和热焓探针对等离子射流特性进行诊断,分析射流的特性,建立射流特性与涂层微观结构的关系。首先分别建立热焓探针和发射光谱测量系统,应用发射光谱检测了大气下等离子射流的谱线强度,采用基于氩原子多条谱线的玻尔兹曼斜率法和氢原子的双谱线强度对比法计算了射流中的电子温度,研究了电流强度、等离子气体成分和流量对射流中电子温度变化的影响。使用Hβ(486.1 nm)谱线和ArI(430.01 nm)谱线的Stark展宽效应测量了射流中的电子密度,依据Saha方程推导出了电离程度计算公式。又采用热焓探针方法,根据能量平衡公式计算大气下等离子射流中的气体温度,根据贝努力方程计算了射流的速度分布。采用两种诊断方式对比研究,结果表明:大气下焓探针测量系统得到的等离子射流温度要小于发射光谱法测量计算得到的电子温度;两种测温方式获得的等离子射流温度差异很大,这表明大气等离子喷涂的等离子射流在一定程度上偏离热力学平衡状态,并且随着电流强度增加,二者温差变小,等离子射流趋于局域热力学平衡状态。开发适用于低压/超低压射流特性诊断的焓探针系统,并推导得出低压/超低压下等离子射流温度的计算方法,结合发射光谱诊断技术,揭示低压/超低压下等离子射流的结构与特性,计算出了射流由亚音速过渡到超音速状态,以及等离子射流在超音速状态下由过膨胀向欠膨胀转变的临界真空室压力。研制开发了适用于低压/超低压下使用的圆柱型喷嘴和缩放型喷嘴,并研究了喷嘴形状对射流特的影响。分析了喷嘴结构和真空室压力对涂层微观结构的影响,结果表明:缩放型喷嘴在提高射流的能量,促进粉末熔化和提高沉积效率方面具有优势。分别采用氩-氢和氩-氦两种混合气体在超低压下制备YSZ涂层,氩-氦等离子气体可以增加射流的速度,氩-氢等离子气体可以提高粉末在射流中的熔化程度,两者制备涂层的微观结构呈现很大不同,使用氩-氦气体超低压下可制备具有全纳米等轴晶结构的YSZ涂层。研究大气等离子喷涂射流能量对制备YSZ涂层的微观结构和热震性能的影响,实验结果表明:随等离子喷涂时射流能量的增加,涂层中纳米结构的含量降低,当纳米结构含量为52%时,涂层的抗热震性能最好。